近日，超快光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室付玉喜研究員、曹華保研究員和劉柯陽(yáng)副研究員團(tuán)隊(duì)在高重頻大能量超快薄片激光器方面取得新進(jìn)展，研究成果發(fā)表于Optics Letters。
高重頻大能量皮秒薄片激光可通過(guò)頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程產(chǎn)生中紅外少周期飛秒激光，被學(xué)界稱(chēng)為“第三代”飛秒激光技術(shù)，是產(chǎn)生高性能阿秒光源的重要驅(qū)動(dòng)源。當(dāng)前，商業(yè)化Yb:YAG薄片激光器均采用熱沉式間接冷卻技術(shù)路線，其核心工藝薄片晶體與熱沉的鍵合技術(shù)難度大、門(mén)檻高，長(zhǎng)期制約著我國(guó)高端超快激光裝備的自主化發(fā)展。
針對(duì)這一難題，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用直接液冷百微米級(jí)Yb:YAG薄片晶體技術(shù)路徑，突破了高功率、大能量薄片激光頭工藝瓶頸，掌握了全鏈條自主核心工藝。
圖 關(guān)鍵核心器件（a）薄片激光頭和（b）泵浦模塊實(shí)物圖
在激光頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，團(tuán)隊(duì)將多片薄片集成于同一激光頭內(nèi)，通過(guò)增加冷卻液通道數(shù)和冷卻液流速提升熱提取能力；采用光束透射增益介質(zhì)，降低由材料熱形變?cè)斐傻墓馐?，柔性?shī)A持極大緩解材料熱膨脹后造成的變形，穩(wěn)定保障高光束質(zhì)量輸出；同時(shí)結(jié)合多沖程泵浦結(jié)構(gòu)充分吸收半導(dǎo)體泵浦激光，實(shí)現(xiàn)薄片激光頭的緊湊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
圖 高重頻大能量皮秒薄片激光器性能測(cè)試
基于啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)路線，團(tuán)隊(duì)采用自主研制的直接液冷Yb:YAG薄片激光頭，搭建單激光頭環(huán)形再生放大器，實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率1 kHz，平均功率>200 W，脈沖能量>200 mJ的皮秒激光輸出，輸出參數(shù)與德國(guó)TRUMPF公司Dira-200產(chǎn)品參數(shù)相當(dāng)。這是目前國(guó)際上采用直接液冷Yb:YAG薄片激光頭在kHz重頻下實(shí)現(xiàn)的最高能量。
劉柯陽(yáng)介紹，“商業(yè)化產(chǎn)品采用的‘間接散熱’是把薄片晶體‘焊’在散熱底座上，這對(duì)‘焊接’的要求極高。我們的技術(shù)路線讓冷卻液直接貼著晶體表面快速且穩(wěn)定流動(dòng)，產(chǎn)生的熱直接被流動(dòng)的冷卻液帶走，既提高了散熱效率，又不影響光束質(zhì)量，同時(shí)保持設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)現(xiàn)的參數(shù)指標(biāo)追平國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品”。
該成果為我國(guó)高端超快激光裝備自主可控提供了全新技術(shù)路徑，將為相關(guān)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。
